物理學(xué)史--原子原子核物理的發(fā)展

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1、原子、原子核物理的發(fā)展侯春風(fēng)哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理系主要內(nèi)容一.原子模型的提出和發(fā)展二.原子核的放射性三.幾個(gè)著名的核反應(yīng)四.重核的裂變和輕核的聚變五.原子彈簡(jiǎn)史一.原子模型的提出和發(fā)展“原子”一詞來(lái)自希臘文，含義是“不可分割的”。公元前四世紀(jì)，古希臘哲學(xué)家德謨克利特(Democritus)提出了這一概念，并把它當(dāng)作物質(zhì)的最小單元。17世紀(jì)，通過(guò)卡文迪許和拉瓦錫等許多化學(xué)家的工作，發(fā)現(xiàn)了水可分解為氧和氫兩種元素；空氣是由氧、氫和氮等元素混合而成的，燃燒只不過(guò)是元素和氧起激烈反應(yīng)等等。隨著幾十種元素的

2、發(fā)現(xiàn)，英國(guó)化學(xué)家道爾頓提出了新的原子學(xué)說(shuō)。他認(rèn)為物質(zhì)是由許多種類(lèi)不同的元素所組成，元素又由非常微小的，不可再分的、不能毀滅又不能創(chuàng)生的原子所組成。1807年，英國(guó)科學(xué)家約翰·道爾頓(JohnDalton)提出原子論。他認(rèn)為原子類(lèi)似于剛性的小球，它們是物質(zhì)世界的基本結(jié)構(gòu)單元，是不可分割的。道爾頓用他的學(xué)說(shuō)說(shuō)明了化學(xué)中的物質(zhì)不滅定律等。道爾頓的原子說(shuō)是根據(jù)事實(shí)概括的結(jié)果，能夠用來(lái)研究和發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象，因此比古代原子說(shuō)更進(jìn)一步。19世紀(jì)后半期，分子運(yùn)動(dòng)論有了進(jìn)一步發(fā)展，人們逐步建立起近代的原子分子學(xué)說(shuō)。但

3、是原子分子是否存在，一直沒(méi)有用實(shí)驗(yàn)證實(shí)。1897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，并證明了電子是各種元素的基本組成部分。1903年盧瑟福和化學(xué)家索迪合作，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一種物質(zhì)可以變成另一種物質(zhì)，提出了原子自然衰變的理論。這些事實(shí)打破了道爾頓以來(lái)人們認(rèn)為原子不可再分割的觀念。1905年，愛(ài)因斯坦用分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)從理論上解釋布朗運(yùn)動(dòng)獲得成功，他還提出了測(cè)定分子大小的新方法。1908年，法國(guó)物理學(xué)家佩林按愛(ài)因斯坦的方法，用實(shí)驗(yàn)測(cè)定了分子的大小，結(jié)果跟愛(ài)因斯坦預(yù)言的一致，終于在科學(xué)界確認(rèn)了現(xiàn)代分子原子學(xué)說(shuō)。十九世紀(jì)

4、末二十世紀(jì)初，一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相繼發(fā)現(xiàn)，如電子、X射線(xiàn)和放射性元素的發(fā)現(xiàn)表明原子是可以分割的，它具有比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。那么，原子是怎樣組成的？原子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如何？1898年，Thomson提出了“布丁模型”(也被稱(chēng)為“西瓜模型”)。1903年，德國(guó)物理學(xué)家林納德(P.Lenard)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)“原子內(nèi)部是十分空虛的”。P.Lenard(1862~1947),1905年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主。在P.Lenard的基礎(chǔ)上，長(zhǎng)岡半太郎(HantaroNagaoka)提出了原子的土星模型，認(rèn)為原子內(nèi)的正電荷集中于中心

5、，電子繞中心運(yùn)動(dòng)，但他沒(méi)有深入下去。長(zhǎng)岡半太郎的土星模型長(zhǎng)岡的土星模型HantaroNagaoka1909年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福(E.Rutherford)在他的學(xué)生蓋革(H.Geiger)和馬斯登(E.Marsden)的協(xié)助下，發(fā)現(xiàn)?粒子轟擊原子時(shí)，大約每八千個(gè)?粒子中有一個(gè)被反射回來(lái)。湯姆遜模型無(wú)法對(duì)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出解釋。盧瑟福根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果于1911年提出了原子的“核式結(jié)構(gòu)模型”(也被稱(chēng)為“盧瑟福行星模型”)E.Rutherford，1908年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主，外號(hào)：鱷魚(yú)。原子核電子盧瑟

6、福原子模型盧瑟福的“核式結(jié)構(gòu)模型”可以解釋?粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此比湯姆遜模型更符合實(shí)際情況。盧瑟福手跡盧瑟福的“行星模型”的雖然可以解釋?粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但該模型卻無(wú)法解釋原子的穩(wěn)定性無(wú)法解釋氫原子光譜的規(guī)律。為了解釋上述問(wèn)題，盧瑟福的一個(gè)學(xué)生——丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾(NilesBohr)在盧瑟福的“行星模型”的基礎(chǔ)之上于1913年提出了原子的量子理論，即“玻爾模型”。+玻爾的原子模型(Bohr’sAtom)尼爾斯·玻爾(NilesBohr)，丹麥人，二十世紀(jì)世界最偉大的物理學(xué)家之一，量子

7、理論的主要奠基人。1922年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主。玻爾理論后經(jīng)索末菲等人的改進(jìn)。索末菲從實(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，將電子繞核軌道從單一的圓軌道，推廣到橢圓軌道。并且他還發(fā)現(xiàn)軌道在空間的取向也是量子化的，從而引入了主量子數(shù)、角量子數(shù)和磁量子數(shù)的概念。1920年索末菲又引入了第四個(gè)量子數(shù)。這第四個(gè)量子數(shù)直到1925年才被科學(xué)家弄清楚，原來(lái)是繞核旋轉(zhuǎn)的電子的自旋量子數(shù)。1925年泡利在研究四個(gè)量子數(shù)跟原子核外電子排布的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)了泡利不相容原理：在同一原子內(nèi)，在一個(gè)原子中不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子具有完全相同的四個(gè)

8、量子數(shù)(n,l,ml,ms)。利用玻爾、索末菲理論加上泡利不相容原理可以成功地解釋核外電子的排布。至此原子物理學(xué)完全建立了起來(lái)。二.原子核的放射性原子核物理學(xué)的發(fā)展是和19世紀(jì)末以來(lái)原子物理學(xué)的發(fā)展交織在一起的。自1896年貝克勒耳發(fā)現(xiàn)鈾鹽的放射性之后，一些科學(xué)家著手尋找其他新的放射性元素。其中最有成就的數(shù)居里夫婦了，通過(guò)他倆的艱苦努力，發(fā)現(xiàn)了鐳和釙。另一些科學(xué)家著重研究放射性物質(zhì)放出的射線(xiàn)性質(zhì)以及射線(xiàn)和物質(zhì)本身的關(guān)系。研究工作也取得了累累碩果。盧瑟福弄清了放射性物質(zhì)放出射線(xiàn)含有三